正畸弓丝表面涂层制备及其对摩擦性能和生物相容性影响的研究

Metallic biomaterials, such as stainless steel, cobalt-chromium alloys, titanium and its alloys have been widely applied in orthodontic treatment for their specific physical, mechanical and biological properties. However, the clinical and experimental data proved that the metallic biomaterials mentioned above, had three main drawbacks as follows: easier corrosion, element ionic release and poor friction control. In order to solve those problems, researchers have tried different approaches, such as coating and surface treatment, which improve the corrosion resistance ability and lower the friction. Although these improvements make metallic materials more suitable for orthodontic applications, there is still lack of dynamic monitor and analysis on the actual performance of the coating film. The later provides little guidance for the treatment, specifically on the stabilities of its good performance under complex orthodontic treatment. Therefore, in this study, we plan to coat films with different elements on the commonly-used archwires in orthodontic treatment and investigate the changes of frictional properties and biocompatibility under both simulated human oral circumstance and animal oral circumstance. This study will provide promising evidence for coating on archwires in orthodontic treatment.

不锈钢、钛合金、钴铬合金等金属具有独特的物理、机械和生物性能，被广泛应用于口腔正畸临床治疗多年，是正畸托槽和弓丝的常用原材料。长期的临床应用和实验研究发现，金属材料主要有以下三方面问题：在患者口腔环境中易腐蚀；存在元素离子释放现象；托槽与弓丝之间的摩擦力难以控制。为克服上述缺点，一些研究尝试在正畸材料表面制备薄膜涂层，通过表面改性优化提升材料性能，如提高耐腐蚀性能、降低摩擦系数等。但目前的研究尚缺乏对涂层实际性能的动态监测和分析，无法确定其良好的性能在复杂的正畸环境中能够保持稳定，研究成果难以进一步应用于临床治疗。本项目拟针对上述问题，选取临床中常用的正畸弓丝，在其表面制备不同成分的代表性涂层，在模拟口腔环境和动物口腔环境中，测试分析其摩擦学性能和生物相容性的变化情况及相互关系、变化规律，为涂层材料应用于临床治疗提供可靠的实验依据。

不锈钢由于其独特的性能，作为正畸托槽和弓丝的常用原材料，被应用于口腔正畸临床治疗多年。本研究尝试在正畸弓丝用的不锈钢原材料表面制备薄膜涂层，从而改善其摩擦学性能、抗菌性能及生物相容性能。.采用离子束辅助沉积法，能够在不锈钢基底表面成功制备出氮化碳（CN）薄膜和氮化钛 (TiN) 薄膜，两种涂层均结构致密。CN膜的结构分为两层，能降低不锈钢基底的表面粗糙度和摩擦系数，提高不锈钢基底的短期抗菌性，同时具备和不锈钢基底相似的细胞相容性。TiN膜的结构是单层，能降低不锈钢基底的表面粗糙度，提高不锈钢基底的摩擦系数和短期抗菌性，降低不锈钢基底的细胞相容性。采用化学旋转涂覆法，能够在不锈钢基底表面制备出二氧化钛 (TiO2) 薄膜，但是其结构较疏松，表面有凹陷和缺损，未能测试出表面粗糙度和摩擦系数。然而，TiO2薄膜能提高不锈钢基底的短期抗菌性，且具备和不锈钢基底相似的细胞相容性。.本研究测试主要数据如下，不锈钢基底摩擦系数0.431±0.109，表面粗糙度(Sa) 0.175±0.008μm；表面制备CN膜后摩擦系数为0.188±0.056，表面粗糙度(Sa) 0.151±0.015μm；表面制备TiN膜后摩擦系数为0.469±0.165，表面粗糙度(Sa) 0.166±0.005μm。与不锈钢基底相比，摩擦系数的差异均具有统计学意义（P<0.001）。在不同浓度含氟人工唾液中浸泡后，TiN膜材料的摩擦系数增大；在无氟人工唾液中浸泡3天或7天后，三种材料的表面粗糙度均无明显变化。TiO2薄膜与基底结合强度较差，未测试出摩擦系数。细菌培养2小时后，不锈钢表面的细菌密度13×103/mm2, TiN膜表面的细菌密度为4.03×103/mm2, CN 膜表面的细菌密度为3.89×103/mm2, 与不锈钢相比，P<0.05。cck8结果显示，CN膜和TiO2膜具有相对较好的细胞相容性，37℃培养1天和3天后，O.D值与不锈钢组相近；培养7天后，O.D值与不锈钢基底无统计学差异，表明涂层表面的细胞数量相近。.由本研究的结果可以看出，CN膜在正畸弓丝表面改性中表现出的性能最为优越，临床应用前景最为乐观，但仍需要进一步的实验来证实。TiO2薄膜的制作方法不太理想，需要改变涂层制备方法后，再进一步探讨评价该涂层的性能。